Вы не зарегистрированы

Авторизация



Электромагнитные колебания.

Фото пользователя Александр Валентинович Юмашев
Размещено: Александр Валентинович Юмашев - ср, 28/04/2010 - 12:11
Данные об авторе
Автор(ы): 
А.В.Юмашев
Место работы, должность: 
МОУ "Караваинская СОШ" учитель физики
Регион: 
Тамбовская область
Характеристики урока (занятия)
Уровень образования: 
среднее (полное) общее образование
Целевая аудитория: 
Учитель (преподаватель)
Класс(ы): 
11 класс
Предмет(ы): 
Физика
Цель урока: 
Обучение: дать представление об электрических колебаниях как о процессах, при которых происходит периодическое изменение физических величин (ток, заряд, напряжение…); разъяснить, что свободные электрические колебания – это свойство колебательного контура, независящее от внешних воздействий; рассмотреть физическую природу процессов, происходящих в колебательном контуре; научить учащихся применять уравнения ЭМК для вывода отдельных закономерностей. Развивающие: сформировать целостное представление о свободных колебаниях различной физической природы; научить учащихся пользоваться единичными законами свободных колебаний для характеристики наблюдаемых колебательных процессов.
Тип урока: 
Комбинированный урок
Учащихся в классе (аудитории): 
15
Используемые учебники и учебные пособия: 

физика 11 Мякишев ,Физика 11 Касьянов

Используемая методическая литература: 

Электромагнитные волны, интернет ресурсы

Используемое оборудование: 

1. Использование презентаций «Электромагнитные колебания»

2. Видеофильм.   «Эксперимент. Электромагнитные колебания в контуре».

3. Оборудование для демонстрации колебаний нитяного маятника и пружинного.

4. Оборудование для демонстрации затухающих электромагнитных колебаний.

5. Таблица «Электромагнитные колебания»

6. Радиоприемник.

 

Используемые ЦОР: 

Демонстрация колебаний нитяного маятника.

2. Демонстрация колебаний пружинного маятника.

3. Демонстрация работы радиоприемника.

4. Демонстрация свободных электромагнитных колебаний.

5. Демонстрация затухающих электромагнитных колебаний.

 

 

Краткое описание: 
I. Наблюдение вынужденных электромагнитных колебаний в цепи переменного тока. С=0 R=0 Диод выключен колебания в цепи переменного тока происходит с частотой W, совпадает с частотой вынуждающий ЭДС. 2. Наблюдение однополупериодного выпрямленного сигнала (диод выключен). Этот сигнал будет использован для возбуждения колебательного контура. R=0, C=0. 3. Включаем в цепь С и наблюдаем осциллограмму затухающих колебаний. (Для этого надо уменьшить частоту развертки осциллографа). Исследование колебаний: а) С,  L,  т.к. б) R, скорость затухания растет и при некотором значение R колебания вообще не возникают.

 

Тема урока: Электромагнитные колебания.
 
Тип урока: комбинированный
 
Метод: частично-поисковый
 
Цели урока:
 
Обучение:            
дать представление об электрических колебаниях как о процессах, при которых происходит периодическое изменение физических величин (ток, заряд, напряжение…);
разъяснить, что свободные электрические колебания – это свойство колебательного контура, независящее от внешних воздействий;
рассмотреть физическую природу процессов, происходящих в колебательном контуре;
научить учащихся применять уравнения ЭМК для вывода отдельных закономерностей.
 
 
Развивающие:
сформировать целостное представление о свободных колебаниях различной физической природы;
научить учащихся пользоваться единичными законами свободных колебаний для характеристики наблюдаемых колебательных процессов.
 
 
 
Д/з    § 11-16 стр. 52(1), упр. 2 (1-3)
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Оборудование:
1. Использование презентаций «Электромагнитные колебания»
2. Видеофильм.   «Эксперимент. Электромагнитные колебания в контуре».
3. Оборудование для демонстрации колебаний нитяного маятника и пружинного.
4. Оборудование для демонстрации затухающих электромагнитных колебаний.
5. Таблица «Электромагнитные колебания»
6. Радиоприемник.
 
Эксперимент:
1. Демонстрация колебаний нитяного маятника.
2. Демонстрация колебаний пружинного маятника.
3. Демонстрация работы радиоприемника.
4. Демонстрация свободных электромагнитных колебаний.
5. Демонстрация затухающих электромагнитных колебаний.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
I. Наблюдение вынужденных электромагнитных  колебаний в цепи переменного тока.
    С=0
    R=0   Диод выключен
колебания в цепи переменного тока происходит с частотой W, совпадает с частотой вынуждающий ЭДС.
 
2. Наблюдение однополупериодного выпрямленного сигнала (диод выключен). Этот сигнал будет использован для возбуждения колебательного контура. R=0, C=0.
 
3. Включаем в цепь С и наблюдаем осциллограмму затухающих колебаний. (Для этого надо уменьшить частоту развертки осциллографа).
Исследование колебаний:
а)     С¯, ­
 L¯, ­       т.к.
б)    R­, скорость затухания растет и при некотором значение R колебания вообще не возникают.
 
Для возбуждения КК можно воспользоваться импульсами, получаемыми при однопериодном выпрямлении переменного тока. В этом случае пауза между импульсами 0,01 с. достаточно для возникновения и полного затухания колебаний в контуре.
Общий вид установки для получении осциллограммы затухающих колебаний и ее схема представлены на рисунке. Она состоит из однополупериодного выпрямителя, КК и осциллографа. Импульс от источника, проходя через диод периодических заряжает С. В промежутке между импульсами С разряжается через L и реостат. Разряд имеет колебательный характер на экране осциллографа наблюдается осциллограмма затухающих колебаний.
 
1. С=0, демонстрация кривой импульсов при однополупериодном выпрямлении (2 кривых).
2.   Уменьшение частоты разверстки получить одну развертку.
3.    Показать изменение W при уменьшении С и L.
4. Изменить сопротивление R. Обратить внимание, что уменьшается начальная амплитуда колебаний и увеличивается быстрота затухания.
 
II. Наблюдение осциллограммы переменного тока.
Вынужденные колебания в л. цепи возбуждаются постоянно действующим источником тока. На экране осциллографа вы видите осциллограмму переменного тока, питающего большую часть наших промышленных установок и бытовых приборов. Он имеет синусоидальную форму, ,
 
I.Актуализация знаний.
 
1.     Устные ответы у учащихся.
а) Механические колебания. Характеристики механических колебаний. Маятники.
 

 
 
 
 
 
 
   ;               
             
,
,
 

 
б) Уравнение и график механических колебаний.

 
 
 
,
,
т.к. ,
     - уравнение свободных механических колебаний.
 
 
 
 
Вывод: при свободных гармонических колебаниях скорость опережает по фазе смещение на , а ускорение опережает по фазе смещение на .

 
 
2. Фронтальный опрос.
 
·         Электрическое поле и его свойства.
·         Магнитное поле и его свойства.
·         Вихревое электрическое поле и его свойства.
·         Явление электромагнитной индукции.
·         Закон электромагнитной индукции.
·         Явление самоиндукции.
·         Индуктивность.
·         Емкость. Конденсатор, соединение конденсаторов в батареи.
·         Энергия электрического поля (конденсатора).
·         Энергия магнитного поля (катушки индуктивности).
 
            Сегодня на уроке мы продолжаем изучение нестационарных явлений. Мы приступаем к изучению электромагнитных колебаний.
            Учение о колебаниях и волнах в физике выделяется особо. Это обусловлено общностью закономерностей колебательных процессов различной природы и методов их исследований. Механические, акустические, ЭМ колебания и волны рассматриваются с единой точки зрения. Нам предстоит сегодня сравнить механические колебания и электромагнитные колебания.
            Давайте вспомним основные положения теории механических колебаний.
                        
 Ответы учащихся у доски:
 
           а) механические колебания и их характеристики, маятники;
            б) уравнение и график механических колебаний.
            Колебания свойственны всем явлениям природы. Пульсируют звезды, вращаются планеты солнечной системы, в земной атмосфере циркулируют потоки заряженных частиц, ветры возбуждают колебания и волны на поверхности водоемов. Внутри любого живого организма непрерывно происходят ритмично повторяющиеся процессы, например биение сердца. В линиях электропередач протекают переменные токи, электрическую энергию мы используем для работы различных электрических приборов, с помощью переменных электрических и магнитных полей мы осуществляем видео- и аудио- связь.
            Механические и электромагнитные колебания подчиняются совершенно одинаковым количественным законам. Но если механические колебания наблюдать довольно просто, то наблюдение электромагнитных колебаний связано с определенными трудностями, т.к. мы не видим ни заряда конденсатора, ни тока в катушке.
            На сегодняшний день у Вас есть все необходимые знания, для того чтобы изучить теорию электромагнитных колебаний.
           
 
 
 
Фронтальный опрос
§ Электрическое поле и его свойства.
§ Магнитное поле.
§ Вихревое электрическое поле.
§ ЭМ индукция.
§ Закон ЭМ индукции.
§ Магнитный поток.
§ Явление самоиндукции.
§ Индуктивность.
§ Емкость. Конденсаторы и их соединение.
§ Энергия магнитного поля.
§ Энергия электрического поля. 
 
*Давайте вернемся к теории механических колебаний и послушаем ответы ваших одноклассников…
Сегодня мы убедимся с вами, что колебательные процессы описываются одинаковыми понятиями и единообразными математическими уравнениями, поэтому академик Леонид Исаакович Мандельштам подошел к изучению колебаний различной физической природы с единых позиций.
Огромная роль электромагнитных колебаний в нашей жизни делает необходимым их изучение.
Сообщение о значении электромагнитных колебаний.
В сообщении вы услышали много, на первый взгляд непонятных для вас фактов, и прав был Цицерон, который считал, что:
Погружение в науку может быть бесконечным.
И это погружение надо начинать с изучения элементарных фактов – электромагнитных колебаниях, причин их возникновения.
План урока:
1.      Электромагнитные колебания.
2.      Электромагнитный колебательный контур.
3.      Уравнение и график электромагнитных колебаний.
4.      Характеристики электромагнитных колебаний.
5.      Затухание электромагнитных колебаний.
6.      Сравните колебания различной природы.
 
Рассмотрим эксперимент, схема которого изображена на слайде №
(Демонстрируется 1 часть эксперимента « Электромагнитные колебания»)
 
Вывод: в электрической цепи возникает ток, периодически меняющийся и по амплитуде и по направлению, следовательно, периодически изменяются по модулю и направлению напряженность электрического поля в конденсаторе и индукция магнитного поля в катушке.
 
Электромагнитные колебания  - одновременные периодические изменения взаимосвязанных электрического и магнитного полей.
Классификация электромагнитных колебаний
 
I. По способу возбуждений колебаний:
1)    Свободные
2)    Вынужденные
3)    Авто колебания
4)    Параметрические
 
II.    По характеру колебаний (зависимость величин от времени Х(t), Vx(t), Ax(t)   
1)    Гармонические
2)    Негармонические
 
Свободные электромагнитные колебания - электромагнитные колебания, происходящие в колебательном контуре за счёт расходования сообщённой этому контуру энергии, которая в дальнейшем не пополняется.
 
Демонстрация вынужденных электромагнитных колебаний.
Колебания переменного тока. Осциллограмма переменного тока.
Вынужденные колебания – колебания, возникающие в цепи под действием внешней периодической электродвижущей силы.
Вернемся к свободным колебаниям, возникающим в цепи, состоящей из конденсатора и катушки.
 
Колебательный контур – замкнутая электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных катушки индуктивности и конденсатора.
 
Электромагнитные колебания происходят в колебательном контуре за счет расходования сообщенной ему энергии.
Когда ключ находится в положении 1 цепь контура разомкнута, а конденсатор заряжается от источника тока E. В положении 2 цепь контура замкнута и конденсатор разряжается через катушку. При разряде конденсатора через катушку индуктивности в контуре возникает ток, периодически изменяющийся и по амплитуде, и по направлению. Следовательно, периодически изменяются по модулю и по направлению напряженность электрического поля в конденсаторе и индукция магнитного поля в катушке.
Эксперимент «Свободные электромагнитные колебания в контуре» (TV).
 
Вывод:
Рассмотрим процесс превращения энергии в колебательном контуре без активного сопротивления. Процессы, происходящие в таком контуре, описывал лорд Уильям Томсон и контур получил название – идеальный контур Томсона.
 
Работа по слайду №
 

а) t=0,
конденсатор заряжается,  и U на обкладках конденсатора максимальны, тока в контуре нет. Следовательно, отсутствует магнитное поле.
б) 0<t<
Вся энергия контура заключена в его электрическом поле
Конденсатор разряжается, создает в контуре ток I , при этом в катушке, согласно правилу Ленца, возникает ЭДС самоиндукции, припятствующая нарастанию этого тока. При разрядке конденсатора уменьшаются , U, следовательно уменьшается энергия электрического поля в конденсаторе. Сила тока I и индукция  магнитного поля тока увеличиваются, т.е. возрастает энергия магнитного поля в катушке индуктивности. Следовательно энергия магнитного поля увеличивается за счет уменьшения электрической
в) t=
Конденсатор полностью разряжается, U=0, электрическое поле в нем отсутствует. q и  достигают максимального значения. Вся энергия заключена в магнитном поле.
 
г) <t<
Так как Uс=0, то и ток должен прекратится, но при уменьшении i возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая убывающий ток в прежнем направлении. В результате конденсатор перезаряжается, нижняя пластина +q, верхняя –q. Следовательно, в конденсаторе появляется электрическое поле,  направлен снизу вверх. , i убывает, а U и  возрастают, следовательно, магнитная энергия превращается в электрическую. 
д)
i = 0, =0, а U=max, E= max, и  
е)
Конденсатор начинает разряжаться, ток iнаправление i­, B­. Из-за явления самоиндукции нарастание происходит постепенно: 
ж)
=0, i = ,  = max. Вся энергия  превратилась в энергию магнитного поля.
з)
Возникающая в катушке ЭДС самоиндукции поддерживает убывающий ток и перезаряжает конденсатор. Верхняя обкладка заряжается положительно, нижняя – отрицательно.
i¯, B¯, Uс­, ­, следовательно  
и)
Ток в контуре прекращается, исчезает магнитное поле,
а
Uс= max, = max, следовательно вся энергия колебательного контура заключена теперь в его электрическом поле

 
Таким образом завершается полное колебание. В дальнейшем процессы повторяются.
Перейдем к количественное теории процессов в колебательном контуре.
Найдем зависимость от времени силы тока в катушке к напряжению на конденсаторе идеального колебательного контура при возникновении свободных электромагнитных колебаний.
 
I способ

 
 
 
 
 
Колебательный контур – замкнутая электрическая цепь.
По закону Ома для полной цепи имеем:
,
 - ЭДС самоиндукции, возникающая в контуре.

 
Uс  - разность потенциалов на обкладках конденсаторов
, т.к. ,
, , т.к. контур – идеальный, то R=0
Получим
,
 , так как L > 0, C > 0, то
 


 

         - это уравнение свободных гармонических колебаний.
 
 
II способ
 Уравнение свободных гармонических колебаний в идеальном контуре Томсона можно получить с помощью закона сохранения энергии.
Самостоятельная работа с учебником
Мякишев Г.Я. Буховцев Б.Б. Физика. 11 класс
, т.к. , ,
, так как L > 0, C > 0, то
 
 


 

        
 
Уравнение свободных электромагнитных колебаний аналогично уравнению свободных механических колебаний.
Решением уравнение, является функция, , проверим справедливость этого уравнения.

 
 
 
 
 
 
Так как , то
 
 
 
 
 
 
Вывод: колебания силы тока в контуре опережают по фазе колебания заряда на .
 
 
 
 
 

 
Решением свободных электромагнитных колебаний может быть и выражение вида: , это в случае, если колебания в контуре возбуждаются за счет получения катушки в переменное магнитное поле.
Характеристики электромагнитных колебаний.
Самостоятельная работа по учебнику.
 
 
Амплитуда – модуль наибольшего значения колеблющихся величин.
(, , , , , , ).
Период – минимальный промежуток времени, через который процесс повторяется.
, ,
Частота – число колебаний в единицу времени.
Частота циклическая – число колебаний за  секунды.
, ,
 
Фаза- величина, стоящая под знаком синуса или косинуса, однозначно
определяет состояние колебательной системы в любой момент времени.
   p=wt=,
Учитывая, что , а отношение   показывает какая часть периода прошла от момента начала колебаний, то любому значению времени, выраженному в долях периода, соответствует значение фазы, выраженное в радианах.
 Так, по прошествии времени.                         
 

,
,
,
 
 
 
 
 
 

 
Следовательно можно графически изобразить зависимость заряда не от времени, а от фазы. Наибольшую роль играет не сама фаза, а сдвиг фаз между различными колебаниями. Мы в этом убедимся при изучении переменного тока.
Говоря о свободных колебаниях, мы не учитывали сопротивление колебательного контура.
Идеализация позволяет упругость рассмотрения свободных колебаний, но свободные электромагнитные колебания в реальном контуре затухают, т.к. энергия запасенная в контуре непрерывно расходуется на выделение тепла.
Оценим условия, при которых можно потерями пренебречь, мы оценим порядок величины, а не точное значение.
Начальная энергия контура .
Количество теплоты, выделяющееся в контуре за период .
Сравним эти величины, если Q<WM, то видно, что пренебречь затуханием можно, если тепловые потери за период много меньше начальной энергии контура, т.е. , так как , то ,
Это и есть условие, когда затуханием в течение некоторого времени, много большего периода, можно пренебречь и считать свободные колебания близкими к гармоническим.
Качественно это можно показать на опыте, уменьшая емкость и увеличивая индуктивность.
Если  свободные колебания вообще не возникают: энергия заряженного конденсатора превратится во внутреннюю энергию резистора и перезарядки конденсатора не произойдет.
Величина   называется добротностью контура.
Если , то колебания можно считать гармоническими, а контур в котором происходят такие колебания – идеальными.
 
Итог.
1.     В колебательном контуре возникают гармонические колебания заряда и силы тока: ,
2.     Собственная частота гармонических колебаний в колебательном контуре  и период  определяются только параметрами контура Lи C и не зависят от начальных условий.
 
3.     Амплитуда колебаний  и  определяется начальным запасом энергии контуре.
 
,
 
 
Вопросы по повторению
1.     Что называют электромагнитным контуром.
2.     Что такое колебательный контур.
3.     Классификация электроколебаний.
4.     Назовите характеристики электромагнитных колебаний.
5.     Какие превращения энергии происходят в колебательном контуре.
6.     Назовите уравнение свободных электромагнитных колебаний.
7.     Какой вид имеет решение уравнения свободных электромагнитных колебаний.
8.     Почему колебания в реальном контуре прекращаются с течением времени ?
Выполнение проверочного теста (по вариантам (В-1, В-2), в течение 10 минут)
Решение задач:
1.
2. Колебательный контур содержит конденсатор емкостью ф и катушку с индуктивностью 1 мГн. В начальный момент времени заряд конденсатора был равен нулю, а сила тока равнялась 3А.
         а) определите значения характеристик свободных колебаний тока и заряда в этом контуре;
         б) нарисуйте график зависимости i(t)  и q(t);
         г) выведите формулы, выражающие изменение со временем энергии электрического поля конденсатора  и энергии магнитного поля катушки
Итак, электромагнитные колебания в контуре имеют сходство со свободными механическими колебаниями тела, это сходство относится не к природе самих величин, которые периодически изменяются, а к  процессам периодического изменения различных величин.
[Самостоятельная работа с книгой § 13 и с таблицей в ОК.]
 

»  Тэги к этому документу:
»  Размещено в сообществах:   

Поиск

Loading
Конкурс "IT-учитель"

Оценка материала

...